CN212340998U - 基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体浓度检测技术领域，提供一种基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，包括：主激光器、准直透镜、收光透镜、光电探测器和控制电路；所述主激光器采用量子级联激光器或带间级联激光器；所述准直透镜设置在主激光器的出射端，所述主激光器发射的激光通过准直透镜进行准直后，穿过目标气体，目标气体对激光中特定波长的激光分量进行吸收后，激光照射至物体表面，物体表面反射的部分激光经目标气体再次吸收；所述收光透镜接收经目标气体再次吸收后的激光汇聚至光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，通过控制电路进行滤波放大并计算输出目标气体浓度。本发明能够快速检测目标气体浓度。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置。
背景技术
现有气体检测技术中检测方法种类较多，大都以热学式和化学式检测方法为主；热学式气体传感器是利用气体的热导率，通过热敏元件的电阻变化来测量一种或几种气体组分浓度。化学式气体传感器是利用被测气体的电化学活性，将其氧化或还原，根据生成物分辨气体的检测浓度。
热学式检测存在响应速度低，精确度低的问题。化学式检测最大的缺点是难以进行现场实时检测，检测过程中，需要事先准备好样品，通过化学方式进行检测，无法及时反应待测气体中目标气体浓度，难以满足预警需求，上述两种检测方式均无法快速检测目标气体浓度。
发明内容
本发明主要解决现有技术的工业和环境领域中无法快速检测低浓度(浓度为ppb级别)目标气体的技术问题，提出一种基于量子级联激光器(QCL)或带间级联激光器(ICL)测量待测气体中目标气体遥测装置，能够快速检测目标气体浓度，具有测量精度高、响应灵敏、能够即时反应待测气体中目标气体浓度和免维护的优点。
本发明提供了一种基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，包括：主激光器(1)、准直透镜(2)、收光透镜(4)、光电探测器(6)和控制电路(7)；
所述主激光器(1)和光电探测器(6)分别与控制电路(7)电连接，所述主激光器(1)采用量子级联激光器或带间级联激光器；所述准直透镜(2)设置在主激光器(1)的出射端，所述主激光器(1)发射的激光通过准直透镜(2)进行准直后，穿过目标气体(13)，目标气体(13)对激光中特定波长的激光分量进行吸收后，激光照射至物体表面(3)，物体表面(3)反射的部分激光经目标气体(13)再次吸收；
所述收光透镜(4)设置在气体遥测装置的接收端，所述收光透镜(4)接收经目标气体(13)再次吸收后的激光汇聚至光电探测器(6)，所述光电探测器(6)将接收到的光信号转化为电信号，通过控制电路(7)进行滤波放大并计算输出目标气体(13)浓度。
优选的，还包括：显示屏(11)和与显示屏(11)电连接的报警模块(10)；
所述显示屏(11)，用于显示目标气体浓度和主激光器(1)与物体表面(3)的距离；
所述报警模块(10)，用于在检测到的目标气体(13)浓度大于安全值情况下，进行报警。
优选的，还包括：与显示屏(11)电连接的测距模块(9)；
所述测距模块(9)包括测距发射端和测距接收端，所述测距发射端发出测距激光，经物体反射后测距激光由测距接收端进行接收；
所述测距接收端利用接收的测距激光，得到主激光器(1)与物体表面(3)的距离信号，并将距离信号发送至显示屏(11)。
优选的，还包括：与控制电路(7)电连接的指示光激光器(8)；所述指示光激光器(8)用于指示主激光器(1)发射激光的空间位置。
优选的，还包括：用于供电的电源(12)；所述电源(12)与控制电路(7)电连接。
优选的，所述准直透镜(2)和收光透镜(4)表面镀有针对目标气体(13)吸收谱线的增透膜。
优选的，所述主激光器(1)发出激光束轴线、准直透镜(2)轴线、收光透镜(4)轴线，各轴线夹角小于30°。
优选的，所述气体遥测装置检测目标气体(13)的波段范围为2-12um，在该波段范围内可检测有毒、易燃、对环境造成污染或需过程检测的气体。
优选的，所述收光透镜(4)的接收侧设置窗口片(5)，所述收光透镜(4)和窗口片(5)将物体表面反射的激光汇聚至光电探测器(6)。
优选的，所述光电探测器(6)采用HgCdTe光电探测器。
本发明提供的一种基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，控制电路驱动主激光器发射激光，激光经准直透镜准直后通过目标气体照射至物体表面，激光在物体表面发生漫反射，漫反射的部分激光通过目标气体经收光透镜和窗口片汇聚至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，控制电路将电信号进行滤波放大和计算，输出目标气体浓度。本发明利用TDLAS技术，结合目标气体分子在红外波段具有较强的光谱吸收峰，以遥测形式便携，快速检测空间中低浓度(ppb级)目标气体浓度的遥测装置，在化工、环境和医疗等微量气体快速检测领域具有重要应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置的组件布置示意图。
附图标记：1.主激光器；2.准直透镜；3.物体表面；4.收光透镜；5.窗口片；6.光电探测器；7.控制电路；8.指示光激光器；9.测距模块；10.报警模块；11.显示屏；12.电源；13.目标气体。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明提供的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置的组件布置示意图。如图1所示，本发明实施例提供的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，包括：主激光器1、准直透镜2、收光透镜4、光电探测器6和控制电路7。
所述主激光器1和光电探测器6分别与控制电路7电连接，所述主激光器1采用量子级联激光器或带间级联激光器；所述准直透镜2设置在主激光器1的出射端，所述主激光器1发射的激光通过准直透镜2进行准直后，穿过目标气体13，目标气体13对激光中特定波长的激光分量进行吸收后，激光照射至物体表面3，所述物体表面3对目标气体13吸收谱线附近波长的光具有漫反射作用，物体表面3反射的部分激光经目标气体13再次吸收。
所述收光透镜4设置在气体遥测装置的接收端，所述收光透镜4接收经目标气体13再次吸收后的激光汇聚至光电探测器6。所述窗口片5对目标气体13吸收谱线一定范围内的光具有选择透过性。所述光电探测器6将接收到的光信号转化为电信号，通过控制电路7进行滤波放大并计算输出目标气体13浓度。具体的，所述气体遥测装置检测目标气体13吸收谱线的波段范围为2-12um；在该波段范围内可检测甲烷(CH4)、氨气(HN3)、一氧化碳(CO)硫化氢(H2S)、甲醛(CH2O)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)、氯化氢(HCl)、溴化氢(HBr)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、二氧化硫(SO2)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)等有毒、易燃、对环境造成污染或需过程检测的气体。所述收光透镜4的接收侧设置窗口片5，所述收光透镜4和窗口片5将激光汇聚至光电探测器6。所述光电探测器6对目标气体13吸收谱线附近波段的光具有良好的响应特性，能够将吸收谱线附近波段的光信号转化为电信号，所述光电探测器6优选采用HgCdTe光电探测器等具有对波长为2-12um的光具有良好相应特性的光电探测器。
本实施例中，准直透镜2对主激光器1发射激光束准直，收光透镜4将物体表面3反射的激光汇聚至光电探测器6。控制电路7驱动主激光器1工作，并能够接收光电探测器6输出的电信号进行滤波放大和计算后输出目标气体浓度数据。主激光器1采用量子级联激光器或带间级联激光器，量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)是一种能够发射光谱在中红外和远红外频段激光的半导体激光器。基于量子级联激光器的红外光谱气体检测技术具有灵敏度高、检测速度快等优点，特别是在高精度光谱检测方面所具有的显著优势。带间级联激光器(Interband Cascade Lasers，ICL)是一种有效的全固化中红外光源，具有广泛的应用前景，广泛应用于通信、痕量气体监测、电子对抗和环境监控等领域。
在上述方案的基础上，所述准直透镜2和收光透镜4表面镀有针对目标气体13吸收谱线的增透膜，增加激光中目标气体13吸收谱线的透过性。所述主激光器1发出激光束轴线、准直透镜2轴线、收光透镜4轴线，各轴线夹角小于30°，这样设置能够使激光器1发出激光束经准直透镜2照射至物体表面3能够有效的被收光透镜4接收。
本实施例的气体遥测装置，还包括：显示屏11、报警模块10、指示光激光器8和用于供电的电源12；所述报警模块10与显示屏11电连接；所述显示屏11，用于显示目标气体浓度和主激光器1与物体表面3的距离和控制报警模块10进行报警；所述报警模块10，用于在检测到目标气体13浓度大于安全值情况下，进行报警。所述指示光激光器8与控制电路7电连接，用于指示主激光器1发射激光的空间位置。所述电源12与控制电路7电连接。
还包括：与显示屏11电连接的测距模块9；所述测距模块9包括测距发射端和测距接收端，所述测距发射端发出测距激光，经物体反射后测距激光由测距接收端进行接收；所述测距接收端利用接收的测距激光，得到主激光器1与物体表面3的距离信号，并将距离信号发送至显示屏11，进行显示。
本发明基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，控制电路7驱动主激光器1发射激光，激光经准直透镜2准直后通过目标气体13照射至物体表面3，激光在物体表面3发生漫反射，漫反射的部分激光通过目标气体13经收光透镜4和窗口片5汇聚至光电探测器6，光电探测器6将接收到的光信号转化为电信号，控制电路7将电信号进行滤波放大和计算，输出目标气体13浓度。本实施例的气体遥测装置，可以与无人机、机器人、巡检车、遥测仪、云台等设备配合使用，均属于本发明保护的范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，包括：主激光器(1)、准直透镜(2)、收光透镜(4)、光电探测器(6)和控制电路(7)；
所述主激光器(1)和光电探测器(6)分别与控制电路(7)电连接，所述主激光器(1)采用量子级联激光器或带间级联激光器；所述准直透镜(2)设置在主激光器(1)的出射端，所述主激光器(1)发射的激光通过准直透镜(2)进行准直后，穿过目标气体(13)，目标气体(13)对激光中特定波长的激光分量进行吸收后，激光照射至物体表面(3)，物体表面(3)反射的部分激光经目标气体(13)再次吸收；
所述收光透镜(4)设置在气体遥测装置的接收端，所述收光透镜(4)接收经目标气体(13)再次吸收后的激光汇聚至光电探测器(6)，所述光电探测器(6)将接收到的光信号转化为电信号，通过控制电路(7)进行滤波放大并计算输出目标气体(13)浓度。
2.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，还包括：显示屏(11)和与显示屏(11)电连接的报警模块(10)；
所述显示屏(11)，用于显示目标气体浓度和主激光器(1)与物体表面(3)的距离；
所述报警模块(10)，用于在检测到的目标气体(13)浓度大于安全值情况下，进行报警。
3.根据权利要求2所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，还包括：与显示屏(11)电连接的测距模块(9)；
所述测距模块(9)包括测距发射端和测距接收端，所述测距发射端发出测距激光，经物体反射后测距激光由测距接收端进行接收；
所述测距接收端利用接收的测距激光，得到主激光器(1)与物体表面(3)的距离信号，并将距离信号发送至显示屏(11)。
4.根据权利要求1或2所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，还包括：与控制电路(7)电连接的指示光激光器(8)；所述指示光激光器(8)用于指示主激光器(1)发射激光的空间位置。
5.根据权利要求1或2所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，还包括：用于供电的电源(12)；所述电源(12)与控制电路(7)电连接。
6.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，所述准直透镜(2)和收光透镜(4)表面镀有针对目标气体(13)吸收谱线的增透膜。
7.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，所述主激光器(1)发出激光束轴线、准直透镜(2)轴线、收光透镜(4)轴线，各轴线夹角小于30°。
8.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，所述气体遥测装置检测目标气体(13)的波段范围为2-12um，在该波段范围内可检测有毒、易燃、对环境造成污染或需过程检测的气体。
9.根据权利要求1所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，所述收光透镜(4)的接收侧设置窗口片(5)，所述收光透镜(4)和窗口片(5)将物体表面反射的激光汇聚至光电探测器(6)。
10.根据权利要求1或9所述的基于量子级联激光器或带间级联激光器的气体遥测装置，其特征在于，所述光电探测器(6)采用HgCdTe光电探测器。
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